二氧化锰纳米材料水热合成及形成机理研究进展_许乃才
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二氧化锰纳米材料水热合成及形成机理研究进展许乃才1刘宗怀2王建朝1郭承育1(1青海师范大学化学系西宁810008;2陕西师范大学化学与材料科学学院西安710062)国家自然科学基金项目(51061016)资助2011-01-21收稿,2011-05-13接受摘要不同晶型和形貌MnO 2纳米材料由于具有离子筛、分子筛、催化和电化学等许多特殊的物理和化学性质,因而在吸附材料、催化材料、锂离子二次电池的正极材料和新型磁性材料等领域显示了广阔的应用前景。
纵观合成MnO 2纳米材料的各种方法,水热合成由于简单、易于控制,并且能够有效控制其晶型、形貌和尺寸,深受研究者的青睐。
本文结合国内外的研究进展,综述了不同晶型和形貌MnO 2纳米材料的水热合成规律及形成机理。
关键词MnO 2水热合成纳米材料形成机理Progresses on Hydrothermal Synthesis and Formation Mechanismof MnO 2Nano-materialsXu Naicai 1,Liu Zonghuai 2,Wang Jianchao 1,Guo Chengyu 1(1Department of Chemistry ,Qinghai Normal University ,Xining 810008;2School of Chemistry and Materials Science ,Shaanxi Normal University ,Xi an 710062)AbstractMnO 2nano-materials with different structures and morphologies show a wide range of applications in the ion-sieve ,molecular sieve ,catalyst materials ,cathode materials for lithium ion secondary battery and new magnetic materials due to their special physical and chemical properties.In all of the synthesis methods ,hydrothermal technique is highly favored by researchers because it is simple ,controllable ,and can effectively control the crystalline ,morphology and size of MnO 2.In this paper ,the hydrothermal synthesis methods and formation mechanism of MnO 2nano-materials with different morphologies are reviewed.Keywords MnO 2,Hydrothermal synthesis ,Nano-material ,Formation mechanismMnO 2纳米材料由于其结构的特殊性而呈现许多特殊的理化性质,使其在离子筛、分子筛、催化材料、锂离子二次电池的正极材料和新型磁性材料等领域的应用中显示了广阔的前景[1 4]。
水热法制备Ce(Zr)O2纳米复合粉体
徐招弟;周新木;李永绣
【期刊名称】《功能材料》
【年(卷),期】2004(035)003
【摘要】采用水热合成法制得了Ce/Zr的比例为1的Ce(Zr)O2复合氧化物粉体.系统研究了矿化剂浓度、水热处理条件(温度、时间)对产物粒度、比表面和物相的影响.研究显示:在酸性介质中,产物团聚程度轻,颗粒较均匀;在碱性介质中,颗粒极细,但团聚程度重;提高水热处理温度和延长处理时间都使产物粒度增大,比表面积降低.XRD及TEM显示样品灼烧处理前后均为立方相或接近立方相.
【总页数】3页(P363-364,367)
【作者】徐招弟;周新木;李永绣
【作者单位】南昌大学,化学系,江西,南昌,330047;南昌大学,化学系,江西,南
昌,330047;南昌大学,化学系,江西,南昌,330047
【正文语种】中文
【中图分类】TQ133.3
【相关文献】
1.尿素为沉淀剂水热法制备稳定Y-Ce-ZrO2纳米粉体 [J], 吴其胜
2.均匀沉淀-水热法制备稳定Y-Ce-ZrO2纳米粉体 [J], 吴其胜
3.水热法制备ZrO2及其复合粉体的研究进展 [J], 崔兰;崔江梅;陈小平;李水荣;马新宾
4.水热法制备高纯超细CeO2-ZrO2复合氧化物 [J], 郑育英;黄慧民;邓淑华;李大
光;余双平
5.醇水加热-水热法制备稳定Y-Ce-ZrO2纳米粉体 [J],
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纳米结构MnO2 的水热合成、晶型及形貌演化李英品;周晓荃;周慧静;沈铸睿;陈铁红【期刊名称】《高等学校化学学报》【年(卷),期】2007(28)7【摘要】以水热合成方法制备了具有不同微观形貌的纳米结构MnO2, 并以X射线衍射(XRD), 扫描电镜(SEM)和X射线光电子能谱(XPS)等方法对其进行了表征. 跟踪考察了二氧化锰的晶型及微观形貌随水热反应时间的演变过程, 在Ostwald ripening机理作用下, MnO2晶型转化过程为γ-MnO2, α-MnO2和β-MnO2, 同时形貌由微米球转变为海胆结构、空心海胆结构和纳米线.【总页数】4页(P1223-1226)【作者】李英品;周晓荃;周慧静;沈铸睿;陈铁红【作者单位】南开大学化学学院,材料化学系,天津,300071;南开大学化学学院,材料化学系,天津,300071;南开大学化学学院,材料化学系,天津,300071;南开大学化学学院,材料化学系,天津,300071;南开大学化学学院,材料化学系,天津,300071【正文语种】中文【中图分类】O614【相关文献】1.形貌可控钒酸铜纳米晶的r水热合成及其电化学传感性能 [J], 韩桂洪;杨淑珍;黄艳芳;杨晶;柴文翠;张锐;陈德良2.纳米MnO2:水热法制备及盐对晶型和形貌的影响 [J], 桂义才;钱立武;钱雪峰3.形貌可控钒酸铜纳米晶的水热合成及其电化学传感性能 [J], 韩桂洪;杨淑珍;黄艳芳;杨晶;柴文翠;张锐;陈德良;;;;;;;4.水热合成温度及Na^+对二氧化锰晶型和形貌的影响 [J], 刘院英;徐亚周;魏秀格;常照荣5.形貌可控Co_3O_4纳米晶的水热合成及表征 [J], 朱振峰;吕景;刘辉;段聪越;邓璐因版权原因,仅展示原文概要,查看原文内容请购买。
二氧化锰纳米材料的制备与表征[摘要] 研究以KMnO4为氧化剂用水热合成法制备MnO2不同纳米晶型的过程,并以X射线衍射(XRD),透射电镜(TEM)等方法对其进行了表征。
结果表明,在水热反应过程中,反应时间改变会使MnO2晶型及其形貌发生转变。
[关键词] 二氧化锰晶型水热合成纳米结构α-MnO2 β-MnO21.引言纳米结构无机材料因具有特殊的电、光、机械和热性质而越来越受到人们的重视。
锰氧化合物不仅资源丰富、价格低廉、对环境无污染,而且具有多变的组成、复杂的结构、奇特的功能,因而在电子、电池、催化、高温超导、巨磁阻材料、陶瓷等领域显示出广阔的应用前景,所以其制备方法、结构表征、反应机理及应用的研究备受瞩目。
其中MnO2作为一种重要的无机功能材料,在催化和电极材料等领域中已得到广泛的应用。
Xie 等证实空壳海胆结构的α-MnO2作为锂电池的阴极材料比实心海胆状α-MnO2和单分散α-MnO2 纳米棒更有效;Yang等报道氧化锰纳米棒对甲基蓝的氧化分解反应具有良好的催化效果;Ma等也证明了层状二氧化锰纳米带是充电锂电池理想的阴极材料。
目前研究较多的是MnO2和锰酸盐,常用的制备方法有固相合成法、溶胶凝胶法、沉淀法等。
通常MnO2的活性随其所含结晶水的增加而增强,结晶水能促进质子在固体相中的扩散,因此γ- MnO2是各种晶型MnO2中活性最佳的。
但在非水溶液中, MnO2 所含的结晶水反而会使它的活性下降。
如在Li-MnO2电池正极材料中,以α-MnO2性能最差,含少量水分的γ-MnO2较差,无结晶水的β-MnO2较好,γβ-MnO2(混合)最好。
所以γ-MnO2 在作为阴极材料之前,必须对其进行热处理,并且要除去水分,使晶型结构从γ-MnO2 转变为γβ-MnO2相(混合,以β相含量为65%~80%为最优)。
再者,在固体二氧化锰有着较为复杂的晶型结构,如α、β、γ等5种主晶及30余种次晶,因此需要深入理解二氧化锰晶型转变机制。
纳米二氧化锰的可控制备及其电化学储能机理研究吴彻平;彭家惠【摘要】通过添加十二烷基溴化氨(CTAB)利用液相沉淀法制备了不同形貌的纳米二氧化锰,用扫描电镜、X射线衍射、孔结构以及循环伏安法等分析研究了CTAB添加量对二氧化锰形貌和电化学性能的影响.结果表明,随着CTAB添加量的增加,二氧化锰形貌从长棒状到均匀球状发生规律变化,此外随着颗粒尺寸变小,二氧化锰比容量从162F/g提高到了213F/g.%A series of nanosized manganese dioxides have been synthesized via a co-precipitation process with additive of CTAB. SEM result indicated that with additive of CTAB,MnO2 nanosphere with about 20nm in diameter and a narrow particle size distribution has been obtained, comparable with nanorode morphology with a wide particle size distribution synthesized without CTAB. The adding amount of CTAB has been studied by SEM,XRD, N2 adsorption and desorption and cyclic voltammetric tests. The results found that as the decrease in particle sizeof MnO2 ,the specific capacitance of MnO2 increased from 162 to 213F/g.【期刊名称】《功能材料》【年(卷),期】2011(042)002【总页数】3页(P359-361)【关键词】二氧化锰;十二烷基溴化氨;共沉淀法;形貌【作者】吴彻平;彭家惠【作者单位】重庆大学材料科学与工程学院,重庆,400045;重庆大学材料科学与工程学院,重庆,400045【正文语种】中文【中图分类】TB332随着低炭经济的到来,新型绿色能源的综合高效开发利用已得到研究人员的广泛关注。
二氧化锰纳米结构的可控制备及机理研究的开题报告一、选题背景二氧化锰(MnO2)作为一种重要的功能材料,在催化、电化学储能、传感、生物医学等领域具有广泛的应用。
然而,其特殊的晶体结构和表面活性使得其性质难以控制,因此如何实现对二氧化锰的可控制备一直是研究热点。
近年来,随着纳米技术的不断发展,纳米结构的二氧化锰逐渐被研究人员所关注。
纳米结构的二氧化锰具有很强的表面活性和催化活性,并且具有良好的生物相容性和可降解性,因此其在生物医学领域的应用潜力更为广阔。
二、研究目的本研究旨在探究可控制备二氧化锰纳米结构的机理,为实现对二氧化锰的可控制备提供基础理论和实验依据。
具体研究内容如下:1. 建立可控制备二氧化锰纳米结构的方法,并优化制备工艺参数。
2. 探究制备方法、物理化学性质和晶体结构之间的关系。
3. 系统研究二氧化锰纳米结构在催化、电化学储能、传感和生物医学等方面的应用潜力。
三、研究方法1. 应用溶液化学方法制备二氧化锰纳米结构,并利用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射仪(XRD)、红外光谱(FTIR)等对制备产物的形貌、结构和物理化学性质进行表征。
2. 利用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射仪(XRD)、红外光谱(FTIR)等对制备条件进行优化,并探究制备条件和产物性质之间的关系。
3. 应用催化、电化学储能、传感和生物医学等方面的测试方法对二氧化锰纳米结构的应用潜力进行研究。
四、预期研究成果1. 建立可控制备二氧化锰纳米结构的方法。
2. 揭示制备方法、物理化学性质和晶体结构之间的关系。
3. 系统研究二氧化锰纳米结构在催化、电化学储能、传感和生物医学等方面的应用潜力。
4. 发表相关学术论文。
工业技术科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald47M n O 2作为一种重要的过渡金属氧化物,具有众多优异的物理化学性能被广泛应用于催化及电化学领域。
因此合成具有特殊形态的纳米M n O 2越来越引起人们的兴趣,在科研人员的努力下已经成功制备了包括纳米棒,六面体,空心微球[1,2]等形态的M n O 2。
然而在合成过程中大多用到了有毒的原料,昂贵的金属醇盐,表面活性剂等。
因而如何采用安全且易于获得的原料制备纳米二氧化锰备受人们的关注。
本文通过水热法在较温和的条件下无需添加表面活性剂制备了具有一维结构的M n O 2纳米线,仅仅通过控制水热时间就可获得不同长度的M n O 2纳米线。
本文还对MnO 2纳米线电化学性能进行了表征。
1 实验部分1.1 MnO 2纳米线的制备称取0.197 g高锰酸钾并用移液管移入1 m L 乙二醇溶于去离子水。
后加入一定量的去离子水使总体积达到80 m L,此后转移到容量为100 m L的聚四氟乙烯高压反应釜中,密封后在120 oC 下保温6至24h。
将产物洗涤、烘干、冷却、研磨后获得的前驱体,置于马弗炉中煅烧4 h (温度400 o C),可获得最终产物MnO 2纳米线。
1.2 物性表征及性能测试采用德国B r u k e r 公司D 8 A D VA N C E 型X 射线衍射仪(C u 靶Kα射线,扫描范围20~80 o )分析所得样品的相组成。
采用H it a c h i公司S U 8000型场发射扫描电镜观察样品的微观结构,管电压100 kV。
采用北京金埃谱科技有限公司生产的V-sorb2800P比表面积及孔径分析仪上进行N 2吸附-脱吸附测试。
在C H I600E 型电化学工作站(上海辰华仪器有限公司)上,采用三电极体系进行循环伏安测试和恒电流充放电测试。
2 实验结果2.1 物性表征图1为经煅烧不同水热处理时间的前驱体所制备M n O 2的F E -S E M 照片。
ENGINEERING TECHNOLOGY75Vol.414/2009.2B环境保护1纳米二氧化锰材料的合成二氧化锰(MnO2)是一种两性过渡金属氧化物,是软锰矿的主要成分。
它是一种常温下非常稳定的黑色或棕色粉末状固体。
作为一种重要的无机功能材料,在催化和电极材料等领域中已得到广泛的应用。
研究发现MnO2在环境领域有较强的应用前景,为了更好地利用MnO2,可以采用具有特殊性质的纳米MnO2。
纳米微粒具有很多独特的性能,如尺寸小、表面积大、表面的键态和电子态与颗粒内部不同、表面原子配位不全,导致表面活性位置增加,随着粒径的减小,表面光滑程度变差,形成了凹凸不平的原子台阶,增加了化学反应的接触面。
目前主要的纳米MnO2合成方法有水热合成法、有机-水两相反应法、常温反应法、回流冷却法、凝胶-溶胶法及热分解法等。
1.1水热合成法水热合成法是合成纳米MnO2材料的重要方法。
水热法是指在密封的压力容器中,以水为溶剂,在温度从100 ̄400℃,压力从大于 0.1MPa直至几十到几百MPa的条件下,使原料反应和结晶。
水热法制备出的纳米晶,晶粒发育完整、粒度分布均匀、颗粒之间团聚少,可以得到理想的化学计量组成材料。
用水热法合成MnO2无需烧结,避免了烧结过程中晶粒长大和杂质容易混入等缺点。
合成的时候通过控制晶化条件可以得到一些不同形态的纳米粒子如纳米线、纳米管、纳米带以及海胆状的纳米球等。
KMnO4和MnSO4经常作为合成纳纳米二氧化锰制备及在环境治理方面应用的研究进展 李素梅/中国科学院生态环境研究中心 北京科技大学 朱琦 尚屹 田亚静 姚薇/环境保护部 朱维耀/北京科技大学 刘文彬/中国科学院生态环境研究中心摘要 二氧化锰(MnO2)是一种重要的两性过渡金属氧化物,在工业生产和环境治理中有着广泛的应用。
本文讨论了近年来国内外纳米MnO2材料合成的研究进展,如水热合成法、有机-水两相反应法、共沉淀法、回流冷却法、凝胶-溶胶法及热分解法等。
2009年第67卷化学学报V ol. 67, 2009第22期, 2566~2572 ACTA CHIMICA SINICA No. 22, 2566~2572zhliu@*E-mail:Received April 14, 2009; revised June 20, 2009; accepted July 16, 2009.国家高技术发展研究计划(No. 2007AA03Z248)和陕西省自然科学基金项目(No. 2007B15).No. 22 许乃才等:不同晶型和形貌MnO2纳米材料的可控制备2567其结构的特殊性, 而广泛应用于电极活性材料和氧化还原反应催化剂[5~7].氧化锰纳米材料的基本结构单元是锰氧八面体, 锰氧八面体基本结构单元通过共边或共角方式, 沿一定方向生长形成了具有隧道或层状结构的氧化锰纳米材料. 通常, 组成为MnO2的氧化锰材料以多种晶型存在, 常见的晶型有α, β, γ, δ型, 还有ε, ρ型. 当锰氧八面体基本结构单元以不同数目和方式通过共角形成隧道结构时, 就生成了不同孔道结构的α-和β-MnO2, 其不同大小的隧道结构使该类物质具有离子筛和分子筛功能. 研究结果表明, 纳米粒子的晶型、尺寸、形貌、维数等因素不同程度地影响着纳米材料的光学、电学、磁学等性能[8,9], 因而不同晶相和形貌氧化锰纳米材料的可控合成一直是研究者关注的重点问题之一. 近年来, 研究者通过水热法、溶剂热法、模板法和气相沉积法等技术制备了大量不同晶型和形貌的MnO2纳米材料. Cheng等[10]通过热分解M n(N O3)2溶液合成了二维结构的六角星β-MnO2; Li等[11]在低温条件下合成了α-MnO2空心刺猬球; Sasaki工作组[12]在强碱性溶液中水热处理Mn2O3得到了δ-MnO2纳米带; Xi等[13]通过高温煅烧γ-MnOOH 纳米棒合成了β-MnO2纳米棒; Liu等[14]在HCl溶液中以不同方式处理层状氧化锰分别制备了纳米四棱柱形貌β-MnO2和γ-MnO2[15]纳米卷, 在KOH溶液中通过水热分解KMnO4制备了不同形貌的层状氧化锰纳米材料[16]. 同时, 该研究组利用插层反应和剥离技术制备了系列具有特殊性能的柱撑层状氧化锰纳米复合材料[17,18]. 尽管研究者通过不同的方法合成了许多晶型、形貌不同的氧化锰纳米材料, 但在同一体系中实现不同晶型和形貌氧化锰纳米材料的可控制备仍具有很大挑战, 且关于金属离子和阴离子对于制备材料晶相和形貌的系统研究较少. 为此, 本文以KMnO4为锰源, 在同一体系中通过控制K+与H+浓度, 可控制备了不同形貌的α-, β-, δ-MnO2纳米材料.1 实验部分1.1 试剂与原料KMnO4, HN O3, HCl, H2SO4均为分析纯, 实验过程中没有经过特殊处理. 实验过程中所用水均为超纯去离子水.1.2 不同晶相和形貌MnO2的制备称取0.395 g (2.50 mmol) KMnO4溶于15 mL 0.2 mol/L HNO3溶液中, 搅拌数分钟, 将得到的紫红色溶液转移至20 mL聚四氟乙烯内衬高压釜中, 密封, 于180 ℃水热处理24 h, 自然冷却到室温后将所得沉淀过滤, 用去离子水洗涤沉淀至中性, 所得试样50 ℃干燥1 d, 得到纳米棒状α-MnO2. 在其他反应条件保持不变的情况下, 将KMnO4的量依次改变为0.10 g (0.633 mmol) 和0.79 g (5.00 mmol), 分别得到了β-MnO2和δ-MnO2.为了考察酸浓度对于制备材料晶相和形貌的影响, 称取0.395 g (2.50 mmol) KMnO4分别溶于15 mL 0.05 mol/L, 0.20和1.0 mol/L HN O3溶液中, 搅拌数分钟后, 将得到的紫红色溶液转移至20 mL聚四氟乙烯内衬高压釜中, 密封, 在180 ℃水热处理24 h, 自然冷却至室温后将所得沉淀过滤, 用去离子水洗涤沉淀至中性, 所得试样在50 ℃干燥1 d, 分别得到δ-MnO2, α-MnO2和β-MnO2.在保持溶液酸浓度相同的条件下, 称取0.395 g (2.50 mmol) KMnO4分别溶于15 mL 0.20 mol/L HNO3, 0.20 mol/L HCl, 0.20 mol/L H2SO4和0.10 mol/L H2SO4溶液中, 搅拌数分钟后, 将得到的紫红色溶液转移至20 mL聚四氟乙烯内衬高压釜中, 密封, 在180 ℃水热处理24 h, 自然冷却到室温后将所得沉淀过滤, 用去离子水洗涤沉淀至中性, 所得试样在50 ℃干燥1 d, 得到了形貌不同的α-和β-MnO2.1.3 分析与表征Rigaku D/Max 2550 VB+/ PC型粉末衍射仪进行样品XRD分析, 测试条件: Cu靶Kα线, Ni滤波, 电压35 kV, 电流50 mA, 扫描范围3°~50° (2θ), 扫描速度4 (°)/min; 荷兰Philips-FEI公司Quanta 200环境扫描电镜观察样品形貌.2 结果与讨论2.1 K+离子浓度对制备材料晶相和形貌的影响实验研究发现, 溶液中金属离子浓度对于构筑隧道型氧化锰纳米材料具有重要的作用[19,20]. 为了考察K+离子浓度对于氧化锰纳米材料晶相和形貌的影响, 我们将不同质量KMnO4在0.2 mol/L HNO3溶液中180 ℃水热处理24 h, 所得产物的XRD图谱如图1所示. XRD分析结果表明, 不同质量KMnO4在0.2 mol/L HN O3溶液中180 ℃水热处理24 h, 所得产物的晶相随溶液中K+离子浓度的变化而不同. 当溶液中K+离子浓度较小时, 得到了β-MnO2纳米材料(图1a). 随着溶液中K+离子浓度的增加, 所得产物由β-MnO2依次转化为α-MnO2和δ-MnO2 (图1b, 1c). 该实验结果表明溶液中K+离子浓度对制备材料的晶相产生很大的影响. Wang等[7]曾指出决定氧化锰晶型的主要因素是反应物浓度, 而Huang等[21]认为决定M n O2晶型的主要因素是金属阳离子浓度, 而非反应物浓度, 那么到底是溶液中K+离子浓度还2568化学学报V ol. 67, 2009图1 0.2 mol/L HNO3溶液中180 ℃水热处理不同量KMnO4 24 h后所得试样的XRD图谱Figure 1 XRD patterns of materials obtained by hydrothermally treating different amount of KMnO4 in 0.2 mol/L HNO3 solution at 180 ℃for 24 h(a) 0.633 mmol; (b) 2.50 mmol; (c) 5.00 mmol是反应物浓度对于制备产物的晶相起决定作用呢? 我们的实验研究结果发现, 在相同浓度的酸溶液中, 所得产物的晶相与溶液中的K+离子浓度有很大的关系. α-MnO2具有2×2隧道结构, β-MnO2具有1×1隧道结构, 而δ-MnO2具有层状结构. K+的半径大小与2×2隧道结构的大小相匹配, 通常被认为是合成α-MnO2的无机模板剂和稳定剂[22]. 我们的实验结果支持了溶液中K+离子浓度对于制备产物晶相起决定作用的观点. 当溶液中K+离子浓度量较小时, 少量的K+离子不足以对形成2×2隧道结构起到稳定作用, 结果生成了1×1隧道结构的β-MnO2; 而当溶液中的K+离子浓度量过大时, K+离子过多导致2×2隧道结构破坏, 带负电的金属氧化锰纳米层与溶液中的K+离子通过静电引力作用, 形成了层状结构δ-MnO2. 当溶液中金属K+离子的浓度正好能够满足稳定2×2隧道结构, 且不至于破坏该隧道结构时, 则生成了2×2隧道结构α-MnO2. 以上结果说明溶液中的K+离子浓度对产物的晶型有很大影响, 较高的K+离子浓度体系倾向于生成较大孔道结构的氧化锰纳米材料.图2是不同质量KMnO4在0.2 mol/L HNO3溶液中180 ℃水热处理24 h, 所得产物的扫描电镜照片. 同通常长径比很大的长方体β-MnO2典型形貌相比, 本实验得到的是夹杂有少量棒状和大量棱角块体组成的混合形貌(图2a), 结合XRD图谱分析, 我们认为在此条件的K+离子浓度下, 所得产物主相是夹杂了部分α-MnO2的隧道型结构β-MnO2. 该结果也说明在0.2 mol/L HN O3溶液中水热处理2.50 mmol KMnO4所得β-MnO2和α-MnO2的混合产物相是由β-MnO2转向α-MnO2的一种中间过渡态. 随着溶液中K+离子浓度的增加, 所得产物由β-MnO2的棱角块体形貌依次转化为α-MnO2棒状形貌, 该结果也符合通常隧道型氧化锰材料的形貌特征(图2b), 继续增加溶液中K+离子的浓度, 由于所得产物的晶相已经转化为层状δ-MnO2, 因而所得试样观察到了典型的氧化锰花球片层. 由于所得产物的结晶性不是很好, 因而观察到的氧化锰片层不是很大, 而是由许多片层组装而成的氧化锰花球(图2c). 上述研究结果表明, 溶液中的K+离子浓度在影响所得氧化锰材料晶相的同时, 也对产物的形貌造成一定的影响.2.2 溶液中H+离子浓度对于产物晶相和形貌的影响在上述反应体系中, 溶液中存在的阳离子不仅有大量隧道稳定剂K+离子, 而且有大量控制性H+离子. 那么反应体系中存在的H+离子对所得试样的晶相和形貌图20.2 mol/L HNO3溶液中180 ℃水热处理不同量KMnO4 24 h后所得样品的SEM图谱Figure 2 SEM images of materials obtained by hydrothermally treating different amount of KMnO4 at 180 ℃for 24 h in 0.2 mol/L HNO3 solution(a) 0.633 mmol, (b) 2.50 mmol, (c) 5.00 mmolNo. 22许乃才等:不同晶型和形貌MnO 2纳米材料的可控制备2569有无影响, 其和隧道稳定剂K +离子在反应体系中构成怎样的关系? 对于这些问题就有必要进行深入研究.在保持反应体系中K +离子浓度一定的条件下, 将一定质量KMnO 4在不同浓度的HNO 3溶液中180 ℃水热处理24 h, 所得产物的XRD 图谱如图3所示. XRD 分析结果表明, 在保持反应体系中隧道稳定剂K +离子量一定条件下, 所得产物的晶相随反应体系溶液酸度不同而变化. 当一定质量KMnO 4在低浓度HNO 3溶液中水热处理24 h 时, 得到了δ-MnO 2晶相(图3a). 该晶相的生成归于溶液中大量K +离子的存在, 这些K +离子同反应体系中少量H +离子竞争, 导致生成了具有层状结构的δ-MnO 2晶相. 随着反应体系溶液酸度的增大, 形成了生成α-MnO 2隧道结构的环境, 导致水热条件下制备了2×2隧道结构的α-MnO 2(图3b), 继续增加反应体系酸度, 造成了反应体系中H +浓度远远大于K +浓度, 使得反应体系由生成2×2隧道结构环境向生成1×1小隧道结构β-MnO 2转化, 最终形成了小隧道β-MnO 2产物(图3c). 以上这些结果表明, 当溶液中同时存在一定量的K +离子和H +离子时, 所得产物的晶相受溶液中K +离子和H+离子浓度相对大小的影响, 结合K +离子浓度对制备材料晶相和形貌的影响实验研究结果, 可以看出当溶液中存在大量K +离子时有利于生成大孔道δ-MnO 2, 而溶液中存在大量H +离子时有利于生成小隧道β-MnO 2. 不同酸度条件下所得产物的形貌如图4所示. 在大量K +离子和低酸浓度条件下, 所得产物呈现典型的层状氧化锰形貌特征(图4a), 该形貌特征也符合XRD 分析的δ-MnO 2层状晶相. 图4b 显示在较高酸度下所得产物具有棒状形貌, 这种形貌是隧道状α-MnO 2的典型形貌特征. 在高酸度反应体系条件下, 生成产物呈现β-MnO 2棱角生长的长方体形貌. 同低浓度K +离子条件下生成的β-MnO 2产物形貌相比(图2a), 该产物形貌较为均匀, 没有观察到其它杂相形貌(图4c). 结合XRD 分析结果, 说图3 不同浓度HNO 3溶液中180 ℃水热处理KMnO 4 24 h 后所得试样的XRD 图谱Figure 3 XRD patterns of materials obtained by hydrothermally treating KMnO 4 in different concentrations of HNO 3 solution at 180 ℃ for 24 h(a) 0.05 mol/L, (b) 0.2 mol/L, (c) 1.00 mol/L明高酸度反应条件有利于生成小隧道型纯相β-MnO 2. 以上结果说明, 反应体系中阳离子在氧化锰纳米材料制备中起了很重要的作用. 通过控制阳离子量的大小, 既可以改变制备产物的晶型, 也可以达到影响产物的形貌, 是实现氧化锰纳米材料可控合成的重要反应参数. 2.3 阴离子浓度对于产物晶相和形貌的影响关于阳离子对于不同形貌纳米材料的可控制备影响因素的研究工作很多, 特别是通过阳离子的浓度和离子尺寸大小, 人们实现了不同晶相和形貌纳米材料的可控制备. 那么, 在研究者更多关注阳离子对于制备产物晶相和形貌影响的时候, 人们很少留意反应体系中阴离子的形态和浓度对于制备产物的影响, 即阴离子的浓度和种类对于制备产物有如何的影响? 为了进一步研究图4 在不同浓度HNO 3溶液中180 ℃水热处理KMnO 4 24 h 后所得试样的SEM 图谱Figure 4 SEM images of materials obtained by hydrothermally treating KMnO 4 in different concentrations of HNO 3 solution at 180 ℃ for 24 h(a) 0.05 mol/L, (b) 0.20 mol/L, (c) 1.00 mol/L2570化 学 学 报 V ol. 67, 2009反应体系中阴离子对于氧化锰纳米材料的影响情况, 在保持反应体系溶液中H +离子浓度相同的条件下, 我们选择了不同阴离子种类的HCl, HNO 3和H 2SO 4构成的反应溶液体系, 考察不同种类阴离子对制备产物氧化锰纳米材料的晶型和形貌有何影响.在保持反应体系中K +离子和H +离子浓度不变的条件下, 将一定量KMnO 4在不同阴离子构成的酸溶液中180 ℃水热处理24 h, 所得产物的XRD 图谱如图5所示. 所得产物的XRD 图谱表明, 当溶液中的H +离子浓度相同条件下, 所得产物均为2×2隧道结构α-MnO 2(图5a, 5b, 5d). 该实验结果说明虽然构成反应体系酸根离子的种类不同, 但在溶液中H +离子浓度相同条件下, 生成产物的晶相相同, 即在保持反应体系中K +离子和H+离子浓度不变的条件下, 反应产物的晶相与溶液中的阴图5 不同酸溶液中180 ℃水热处理KMnO 4 24 h 所得试样的XRD 图谱Figure 5 XRD patterns of materials obtained by hydrothermally treating KMnO 4 in different acid solutions at 180 ℃ for 24 h(a) 0.2 mol/L HNO 3, (b) 0.2 mol/L HCl, (c) 0.2 mol/L H 2SO 4, (d) 0.1 mol/L H 2SO 4离子种类没有直接关系. 当保持反应体系中K +离子浓度不变, 而将溶液中的H +离子浓度增加一倍, 所得产物的晶相不是2×2隧道结构α-MnO 2, 而是已经转化为1×1隧道结构β-MnO 2(图5c). 该实验结果充分表明, 阴离子的种类和浓度对制备氧化锰纳米材料的晶相无显著影响, 而对制备材料晶相起主要影响的因素是溶液中存在的金属阳离子的浓度和离子大小.溶液中的阴离子不影响氧化锰纳米材料的晶相, 那么是否也不影响所制备产物的形貌呢? 为此我们对在不同阴离子酸溶液中水热处理所得产物进行了形貌分析, 所得产物的SEM 形貌如图6所示. 从SEM 形貌图 中看出, 即使使用不同阴离子酸反应溶液, 但只要所得产物的晶相相同时, 产物的形貌保持了通常物质的基本特征. 在保持反应体系中K +离子和H +离子浓度不变的条件下, 在不同阴离子酸溶液中由于所得产物的晶相相同, 都是2×2隧道结构α-MnO 2, 其形貌显示了隧道状物质的棒状形貌典型特征(图6a, 6b, 6d), 随着阴离子酸溶液不同, 仅只有棒状的大小和厚度不同而已. 但是, 当生成产物的晶相发生变化时, 其形貌也发生相应的变化, 当制备产物为1×1隧道结构β-MnO 2时, 所得产物显示了1×1隧道结构β-MnO 2块体形貌特征(图6c), 即反应溶液中的阴离子酸根种类既不影响制备产物的晶相, 也几乎不影响产物的形貌.通过对反应溶液中存在的阳离子和阴离子对于制备材料晶相和形貌影响的系统分析, 我们可以得出反应体系中的阳离子对于制备不同形貌和晶相的氧化锰纳米材料具有决定作用, 而溶液中的阴离子几乎不影响制备产物的晶相和形貌. 当溶液中存在金属阳离子和H+离子时, 二者在反应体系中对于制备产物的生成形成竞争性影响, 阳离子浓度大于溶液中H +离子时, 主要生成2×2隧道结构α-MnO 2, 而当溶液中H +离子浓度大于阳离子浓度时, 主要生成1×1小隧道结构β-MnO 2.图6 不同酸溶液中180 ℃水热处理KMnO 4 24 h 后所得试样的SEM 图谱Figure 6 SEM images of materials obtained by hydrothermally treating KMnO 4 in different acid solutions at 180 ℃ for 24 h(a) 0.2 mol/L HNO 3, (b) 0.2 mol/L HCl, (c) 0.2 mol/L H 2SO 4, (d) 0.1 mol/L H 2SO 4No. 22许乃才等:不同晶型和形貌MnO 2纳米材料的可控制备25712.4 不同晶相和形貌氧化锰纳米材料的形成过程关于不同晶相和形貌氧化锰纳米材料的生长机理, 研究者作了大量工作, 提出了许多控制生长理论. 例如, 李亚栋课题组[23]提出了水热条件下一维MnO 2纳米结构的滚动和相转化机理; Song 等[24]报道了“成核-溶解-各向异性生长-重结晶”机理; Zhang 等[15]报道了“滚汤圆”机理; “压缩-坍塌”机理[25], “中心取向”机理[26]和 “固-液-固”机理[27]等形成机理也被其他研究者所报道. 尽管研究者在不同晶相和形貌氧化锰纳米材料生长机理方面做了许多工作, 但对于不同晶相和形貌氧化锰纳米材料的可控制备仍是一个巨大的挑战. 通过分析我们的实验结果, 不同晶型δ-MnO 2, α-MnO 2和β-MnO 2的生长应该更倾向于“成核-溶解-各向异性生长-重结晶”机理. 球形的无定形颗粒随着水热温度升高, 无定形氧化锰先溶解, 然后浓缩成核, 采取各向异性生长, 最后重结晶形成了不同晶型和形貌的氧化锰纳米材料. 根据该形成思路, 我们提出了当溶液中存在金属阳离子和 H +离子时不同晶相和形貌氧化锰纳米材料的可能形成过程如图7所示.图7 不同晶相和形貌氧化锰纳米材料的形成过程Figure 7 Formation process of manganese oxide nanocompo-sites with different structures and morphologies一定量的KMnO 4在酸性溶液中水热处理时, 水热条件下KMnO 4首先发生分解析出晶核, 随之发生定向团聚得到氧化锰前驱体, 当氧化锰前驱体物发生溶解-重结晶时, 该过程受到溶液中K +及H +浓度竞争性影响. 已有实验研究结果表明, K +离子的半径大小刚好与2×2隧道大小相匹配, 是2×2隧道型α-MnO 2的形成稳定剂. 但是, 当反应体系中存在H +离子时, 其存在很可能阻止了K +形成2×2隧道型α-MnO 2的模板反应. 尽管我们没有充分的证据说明H +是形成β-MnO 2的模板剂或稳定剂, 但是在生成隧道型氧化锰晶体过程中, 高的H +离子浓度将会大大减少溶液中K +离子占据2×2隧道位点的机会, 使得K +离子很难进入隧道而充当α-MnO 2隧道稳定剂的作用, 结果导致在高酸度条件下很难生成2×2隧道型α-MnO 2. 但是, 当反应体系中H +离子浓度增大到一定程度时, H +优先进入而占据隧道位点, 由于H +离子的半径比K +离子小, 结果导致氧化锰前驱体通过溶解-重结晶机理最终生成小隧道尺寸的1×1隧道结构β-MnO 2. 该生长机理也得到了当反应体系中4NH +离子与H +离子共存时生成产物晶相的验证, 反应体系中4NH +与H +共存竞争结果使得离子半径较大的4NH +离子成为2×2 隧道型α-MnO 2的模板剂和稳定剂, 而当高浓度H +离子存在时优先生成1×1隧道结构β-MnO 2.3 结论在不同晶相和形貌的氧化锰纳米材料制备过程中, 反应体系中的阳离子对于制备氧化锰纳米材料的晶相和形貌具有决定作用, 而溶液中的阴离子几乎不影响制备产物的晶相和形貌. 当溶液中存在金属阳离子和H+离子时, 二者在反应体系中对于制备产物晶相的生成形成竞争性影响. 当阳离子浓度大于溶液中H +离子时, 主要生成2×2隧道结构α-MnO 2, 而当溶液中H +离子浓度大于阳离子浓度时, 主要生成1×1小隧道结构β-MnO 2. 提出了溶液中存在金属阳离子和H +离子时不同晶相和形貌氧化锰纳米材料的可能形成过程.References1 Shi, W.; Peng, H.; Wang, N.; Li, P.; Xu, L.; Lee, C.; Kalish,R.; Lee, S.-T. J. Am. Chem. Soc. 2001, 123, 11095.2 Xia, Y.; Yang, P.; Sun, Y.; Wu, Y.; Mayers, B.; Gates, B.;Yin, Y.; Kim, F.; Yan, H. Adv. Mater . 2003, 15, 353. 3 Pan, Z.; Dai, Z.; Wang, Z. Science 2001, 291, 1947. 4 Liu, Z.-H.; Ooi, K. Chem. Mater. 2003, 15, 3696. 5 Yuan, J.; Liu, Z.-H.; Qiao, S.; Ma, X.; Xu, N. J. PowerSources 2009, 189, 1278.6 Zheng, D.; Sun, S.; Fan, W.; Yu, H.; Fan, C.; Cao, G.; Yin,Z.; Song, X. J. Phys. Chem. B 2005, 109, 16439. 7 Wang, X.; Li, Y. J. Am. Chem. Soc. 2002, 124, 2880.8 Wang, L.; Ebina, Y.; Takada, K.; Sasaki, T. Chem.Commun. 2004, 9, 1074.9 Bach, S.; Henry, M.; Baffier, N.; Livage, J. J. Soli d StateChem. 1990, 88, 325.10 Cheng, F.; Zhao, J.; Song, W.; Li, C.; Ma, H.; Chen, J.;Shen, P. Inorg. Chem. 2006, 45, 2038.11 Li, B.; Rong, G.; Xie, Y.; Huang, L.; Feng, C. Inorg. Chem.2006, 45, 6404.12 Ma, R.; Bando, Y.; Zhang, L.; Sasaki, T. Adv. Mater. 2004,16, 918.13 Xi, G.; Peng, Y.; Zhu, Y.; Xu, L.; Zhang, W.; Yu, W.; Qian,Y. Mater. Res. Bull. 2004, 39, 1641.14 Zhang, L.; Liu, Z.-H.; Tang, X.; Wang, J.; O oi, K. Mater.Res. Bull. 2007, 42, 1432.15 Zhang, L.; Liu, Z.-H.; Lü, H.; Tang, X.; O oi, K. J. Phys.Chem. C 2007, 111, 8418.16 Xu, N.; Liu, Z.-H.; Ma, X.; Qiao, S.; Yuan, J. J. Nanopart.2572化学学报V ol. 67, 2009Res.2009, 11, 1107.17 Zhou, Q.; Zhang, C.; Liu, Z.-H.; Tang, X. Acta Chim. Sinica2008, 66, 1979 (in Chinese).(周青, 张成孝, 刘宗怀, 唐秀花, 化学学报, 2008, 66,1979.)18 Tang, X.; Liu, Z.-H.; Zhang, C.; Zhou, Q. Acta Chim. Sinica2006, 64, 2678 (in Chinese).(唐秀花, 刘宗怀, 张成孝, 周青, 化学学报, 2006, 64,2678.)19 Feng, Q.; Kanoh, H.; Ooi, K. J. Mater. Chem.1999, 9, 319.20 Yu, P.; Zhang, X.; Wang, D.; Wang, L.; Ma, Y. Cryst.Growth Des.2009, 9, 528.21 Huang, X.; Lü, D.; Yue, H.; Attia, A.; Yang, Y.Nanotechnology 2008, 19, 22560.22 Liu, J.; Makwana, V.; Cai, J.; Suib, S.; Aindow, M. J. Phys.Chem. B2003, 107, 9185.23 Wang, X.; Li, Y. Chem. Eur. J.2003, 9, 300.24 Song, X.; Zhao, Y.; Zheng, Y. Cryst. 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二氧化锰纳米材料的制备与表征[摘要] 研究以KMnO4为氧化剂用水热合成法制备MnO2不同纳米晶型的过程,并以X射线衍射(XRD),透射电镜(TEM)等方法对其进行了表征。
结果表明,在水热反应过程中,反应时间改变会使MnO2晶型及其形貌发生转变。
[关键词] 二氧化锰晶型水热合成纳米结构α-MnO2 β-MnO21.引言纳米结构无机材料因具有特殊的电、光、机械和热性质而越来越受到人们的重视。
锰氧化合物不仅资源丰富、价格低廉、对环境无污染,而且具有多变的组成、复杂的结构、奇特的功能,因而在电子、电池、催化、高温超导、巨磁阻材料、陶瓷等领域显示出广阔的应用前景,所以其制备方法、结构表征、反应机理及应用的研究备受瞩目。
其中MnO2作为一种重要的无机功能材料,在催化和电极材料等领域中已得到广泛的应用。
Xie 等证实空壳海胆结构的α-MnO2作为锂电池的阴极材料比实心海胆状α-MnO2和单分散α-MnO2 纳米棒更有效;Yang等报道氧化锰纳米棒对甲基蓝的氧化分解反应具有良好的催化效果;Ma等也证明了层状二氧化锰纳米带是充电锂电池理想的阴极材料。
目前研究较多的是MnO2和锰酸盐,常用的制备方法有固相合成法、溶胶凝胶法、沉淀法等。
通常MnO2的活性随其所含结晶水的增加而增强,结晶水能促进质子在固体相中的扩散,因此γ- MnO2是各种晶型MnO2中活性最佳的。
但在非水溶液中, MnO2 所含的结晶水反而会使它的活性下降。
如在Li-MnO2电池正极材料中,以α-MnO2性能最差,含少量水分的γ-MnO2较差,无结晶水的β-MnO2较好,γβ-MnO2(混合)最好。
所以γ-MnO2 在作为阴极材料之前,必须对其进行热处理,并且要除去水分,使晶型结构从γ-MnO2 转变为γβ-MnO2相(混合,以β相含量为65%~80%为最优)。
再者,在固体二氧化锰有着较为复杂的晶型结构,如α、β、γ等5种主晶及30余种次晶,因此需要深入理解二氧化锰晶型转变机制。
二氧化锰纳米管的水热合成及催化降解性能的研究张桂欣闫岩张旭*(哈尔滨师范大学,化学化工学院黑龙江,哈尔滨150025)摘要:在水热条件下制备出α-MnO2纳米管,所得产物经XRD和SEM表征,并考察了所制备的二氧化锰纳米管在微波加热条件下催化降解塑料PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)的性能,当二氧化锰的用量是PET用量的4%时其降解率达到100%,1H NMR和FTIR分析证明降解产物为纯BHET(对苯二甲酸乙二醇酯)单体。
关键词:二氧化锰纳米管催化降解聚对苯二甲酸乙二醇酯二氧化锰纳米材料由于具有许多特殊的物理和化学性质,使其在催化、电化学、吸附和磁性材料等领域显示出广阔的应用前景[1-3]。
纳米二氧化锰的合成方法有很多,已报道的有电化学法[4]、水热法[5]、固相合成法[6]、模板法[7,8]等, 其中水热法因工艺简单、成本较低,应用最为广泛。
近几年随着国民经济的快速发展,塑料PET制品大量地出现在我们的生活中,但其不能自然降解。
为了减少污染和节约能源,人们开始采用化学方法催化降解PET,因此催化剂的合成与选择成为研究的热点。
在本论文中,仅以高锰酸钾和浓硝酸作为反应物通过水热方法一步合成了α-MnO2纳米管,并对其催化降解塑料PET进行了研究。
实验结果证明α 型MnO2纳米管对塑料PET有较好的催化降解性能。
1实验部分1.1 试剂及仪器反应中所使用的KMnO4和浓HNO3均为分析纯。
*通讯作者作者简介:张桂欣哈尔滨市科技局青年创新人才专项资金资助()采用 X 射线衍射仪(D8 Advance Bruker 全自动衍射仪,功率为 40 kV ,40 mA ,选用 CuKa 辐射,λ= 0.15406 nm ,采用连续扫描方式收集衍射数据,阶宽 0.02°,步扫时间为 0.5 s )分析产物的物相组成及结构;采用场发射扫描电子显微镜(FESEM ,Hitachi S-4800,加速电压 15 kV )观察产物的形貌及分散情况。
纳米锰氧化物水热法合成与其生长机理的探究《纳米锰氧化物水热法合成与其生长机理的探究》摘要:纳米材料在各个领域拥有广泛应用的前景,而纳米锰氧化物作为一种重要的功能材料,具有优异的性能。
本文以纳米锰氧化物的合成方法为重点,通过水热法合成纳米锰氧化物,并对其生长机理进行了深入研究。
研究结果显示,在适当的温度、时间和反应物浓度下,水热法可以高效、可控地合成出纳米尺寸的锰氧化物颗粒。
同时,通过表征手段分析了纳米锰氧化物的形貌、结构和物理化学性质,探讨了其生长机理。
这一研究有助于进一步理解纳米锰氧化物的合成过程,并为其在材料科学和应用领域的开发提供了理论基础。
关键词:纳米锰氧化物,水热法,合成,生长机理,应用引言:纳米材料具有独特的物理、化学和生物学性质,因此在能源储存、催化剂、传感器和生物医学等领域具有广泛的应用前景。
纳米锰氧化物作为一种重要的功能材料,具有优异的催化性能、电化学性能和光催化性能。
因此,合成纳米尺寸的锰氧化物颗粒并研究其生长机理,对于深入理解其性质和应用具有重要意义。
方法:本研究采用水热法合成纳米锰氧化物。
首先,在一定温度和压力下,将锰盐和相应的氧化剂混合溶解在水溶液中,形成锰离子。
然后,在一定的反应时间下,锰离子聚集形成纳米尺寸的锰氧化物颗粒,并通过适当的处理得到目标产物。
最后,通过扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线衍射仪等表征手段对合成产物进行形貌、结构和性质的表征。
结果与讨论:研究结果显示,通过水热法可以在较短的时间内合成纳米尺寸的锰氧化物颗粒。
温度、反应时间和反应物浓度等因素对合成产物的形貌和尺寸有显著影响。
较高的温度和较长的反应时间有助于聚集更多的锰离子,形成较大尺寸的颗粒。
此外,适当的反应物浓度可以调控颗粒的分散度和形貌。
通过表征手段可以观察到纳米锰氧化物的形貌多为球形、棒状或片状,具有高度的结晶性和优异的物理化学性质。
结论:本研究通过水热法合成纳米锰氧化物,并对其生长机理进行了深入研究。